Aktivní kompenzace harmonických v průmyslových aplikacích

 

 

Navrhovaná aktivní kompenzace harmo­nických pro průmyslové sítě (AHC) může být úspěšně použita pro nelineární zatíže­ní, pro spotřebiče s rapidní fluktuací reaktiv­ní a činné spotřeby energie. AHC filtr může být s výhodami použit i ke zlepšení kvality napájecí sítě pro další připojená zařízení, jež jsou na stejné napájecí síti jako AHC. Hlav­ními výhodami AHC jsou především reduk­ce zkreslení, poklesů a změn napájecího na­pětí (tzv. flicker efekt) a také stabilizace síťo­vého napájecího napětí. To vede ke zvýšení kvality napájecího napětí v průmyslových sí­tích a efektivnější kompenzaci síťového napětí ve srovnání s pasivními filtry a PFC.

 

Použití aktivní kompenzace sítě (AHC – Activ Harmonic Compensator) má v porov­nání s pasivní kompenzací mnoho výhod:

 

Navzdory výhodám mají AHC omezený podíl na trhu hlavně kvůli vysokým pořizo­vacím nákladům. Ale trendy při návrhu systé­mů průmyslových napájecích sítí a další fak­tory z oblasti výroby elektrické energie uka­zují na to, že přichází doba změn:

Na obr. 1 je znázorněn blokový diagram AHC. Třífázový střídač je připojen mezi zdroj napájecího napětí a průmyslovou síť.

Průmyslový závod může obsahovat různé typy elektrických zařízení a zátěží rozděle­ných na lineární zátěž (rekuperační energe­tické jednotky, činná zatížení, stroje na stří­davý proud) a nelineární zátěž (pohony s pro­měnnými otáčkami, obloukové jednotky atd.).

 

Aktivní harmonický filtr má za úkol dete­kovat harmonické proudu a generovat kom­penzující proud, který ruší harmonickou slož­ku, přičemž zachovává první (základní) har­monickou proudu odebíraného ze zdroje. Řízení AHC se skládá z uzavřené regulační smyčky proudu střídače, ze stejnosměrného obvodu a z obvodu pro detekci a generová­ní kompenzačního proudu. Z uvedeného vy­plývá, že v závislosti na aplikaci může AHC provádět redukci harmonických, kompenza­ci jalového proudu nebo zmírnění flicker-jevu (tzv. blikání v síti).

 

Na obr. 2 je blokový diagram řídicí jed­notky AHC. Řízení celého AHC je založe­no na kaskádním řízení s regulací proudu ve vnitřní smyčce bez snímačů síťového na­pětí. Regulátor proudu nastavuje výstupní na­pětí ze střídače pro každou vzorkovací perio­du řídicího systému tak, aby síťový proud měl referenční hodnotu. Regulátor napětí kontro­luje hladinu stejnosměrného napětí tak, aby mělo téměř konstantní hodnotu. Výstupní sig­nál regulátoru stejnosměrného napětí určuje hodnotu aktivního proudu zatížení sítě a ztrát energetické jednotky regeneračního systému. Reakční proud je vypočten podle jalového (reakčního) výkonu a informací z modulu pro vyhodnocení blikavých jevů v síti.

 

Pro omezení vysokofrekvenční pulzace sí­ťového proudu z AHC je zde mezi síť a AHC připojen vysokofrekvenční filtr LCL.

 

Řízenou hodnotou smyčky proudového regulátoru je dodávaný proud. Tento proud je výsledkem součtu naměřeného zátěžové­ho proudu (viz obr. 1) a střídavého proudu měniče napětí. Tyto dva trojfázové proudy jsou spojeny v jeden celek a pak jsou trans­formovány na signál dvoufázových množství i_{Sa,b. Na} obr. 2 je tento proud reprezentován jako i_Saa iSb.

 

Referenční hodnota regulátoru elektrické­ho proudu i^ref_qd(složky d a q) je transformo­vána do stacionární soustavy souřadnic a−b. Transformace vektoru i^ref_qdna vektor i_1abse provádí pomocí e^{jw1t, odvozené z fázově uza­vřené smyčky PLL (viz obr. 2).}

 

Výběr spínací sekvence pro každou spína­cí operaci obou zdrojů měničů napětí se pro­vádí použitím regulátoru klouzavého řízení.

 

Výběr spínací sekvence pro každou spí­nací operaci použitím modu klouzavého ří­zení je detailně probrán v literatuře [4] až [6]. Tímto způsobem je umožněno řídit ak­tivní filtr bez senzorů síťového napětí [7]. To významně zjednodušuje konfiguraci hardwa­ru aktivních kompenzátorů sítě, zejména pro aplikace středních a vysokých napětí.

 

Výstupní signály dvou proporcionálních regulátorů se saturací představují dvě složky vektoru síťového napětí u_{Wa, uWb, jež jsou po­užity pro detekci polohy vektoru napětí po­mocí synchronizace fázovým závěsem.}

 

Pro kontrolu harmonických amplitud v síti je použit harmonický kalkulátor. Princip je založen na přímé harmonické metodě říze­ní. Tato metoda je stručně popsána v litera­tuře [2] a [3].

 

 

Při nesinusovém síťovém proudu měni­če napětí obsahuje el. napětí stejnosměrného obvodu nejenom zvlnění z operací při pře­pínání tranzistorů, ale také nízkofrekvenční zvlnění napětí, jaké se vyskytuje na stejno­směrné straně vedení diodového usměrňova­če s kondenzátorem. Toto zvlnění nízkofre­kvenčního napětí musí být filtrováno v řídicí smyčce návratem ke zdroji stejnosměrného napětí, jinak je třeba toto zvlnění napětí zvý­šit úměrně podle regulátoru napětí a předat dále na regulační smyčku síťového proudu. Proto je síťové proudy třeba deformovat [8].

 

Pro snížení vlivu zvlnění napětí stejno­směrného obvodu na regulační smyčku prou­du musí mít hraniční kmitočet zpětného filt­ru pro dolní pásmo hodnotu f₀ = 50 až 75 Hz. Nízká hraniční frekvence zpětnovazebního fil­tru způsobuje v měření stejnosměrného napětí velké časové zpoždění, a proto má napětí stej­nosměrného obvodu malý dynamický výkon.

 

Pro zlepšení časové odezvy napětí stejno­směrného obvodu je použit adaptivní systém řízení, jehož parametrické hodnoty pro zpět­novazební filtr a proporcionální a integrační regulátor se mění v souladu s hodnotou chy­by stejnosměrného napětí [8].

 

Simulace kontroly AHC vykazuje velmi velkou dynamiku. Ta se zaprvé vyrovná svou dynamikou regulátoru elektrického proudu, který je charakteristický pro režim klouzavé­ho řízení. Za druhé, v důsledku implemento­vaného adaptivního regulátoru stejnosměrné­ho napětí může AHC mnohem rychleji překo­nat přechod během připojení/odpojení AHC nebo při změně zatížení harmonickými v síti.

 

Výsledek simulace je na obr. 3 (je zobra­zena pouze jedna fáze).

 

Harmonický proud je generován typickým třífázovým diodovým usměrňovačem pohonu s proměnnými otáčkami. Jelikož účiník dPF je blízko jedné, nevzniká v tomto případě po­třeba kompenzace reaktivního výkonu. V čase 0,16 je AHC napojen na napájecí síť a začíná zmírňovat harmonické proudy z ASD. Pře­chod trvá téměř jednu základní periodu, do­kud se zdrojový proud nezačne podobat si­nusovému tvaru.

 

V důsledku své vysoké dynamiky je AHC schopen kompenzovat harmonické proudy v rámci základní periody. Zkreslení proudu nelineárního zatížení má THD 34 %, zatímco zdrojový proud dosahuje THD s hodnotou 4 %.

 

AHC se provozuje jako velmi dynamic­ky řízený zdroj reakčního (jalového) proudu a díky speciálním řídicím algoritmům je kom­penzující reakční (jalový) proud dodán přes­ně ve správný okamžik. Zatížení sítě je tak menší a změny síťového napětí a deformace se snižují na bezpečnou hodnotu.

 

V průmyslových rozvodech jsou pasivní filtry tradičně používány k pohlcování har­monických kmitů generovaných nelineárními zatíženími, a to primárně kvůli jejich nízkým nákladům. Je to velmi dobrý přístup, pokud je třeba také kompenzace účiníku. Ale pasiv­ní filtry mají také své jisté nevýhody, a proto je aplikace pasivních filtrů do průmyslových prostředí limitována. Oproti pasivnímu filtru může být aktivní filtr použit k redukci har­monických v průmyslových vedeních, aniž by bylo nutno starat se o problémy spojené s aplikací pasivních prvků [1].

 

Jednotka AHC umožňuje řídit kompenza­ci harmonických a jalových (reakčních) prou­dů nezávisle na konfiguraci sítě a zatížení proudem a bez rizik spojených s přetížením kompenzátoru. Jednotka AHC může být rov­něž dimenzována jen na kompenzaci harmo­nického zatížení, což vede k redukci nákladů na instalaci kompenzační jednotky.

 

Experimentální průběhy proudu na obr. 4, obr. 5 a obr. 6 ukazují velkou efektivitu systému AHC pro utlumení harmonických. Tyto průběhy byly naměřeny testováním jed­notky AHC s jmenovitým výkonem 800 kvar v průmyslovém závodu. Jednotka AHC byla napojena na 10 kV síť pomocí transformáto­ru 10/0,4 kV.

 

Bylo zjištěno, že aktivní filtr by měl ade­kvátně kompenzovat pět pohonů na střídavý proud napájených 12pulsním proudovým mě­ničem dimenzovaným na 1,0 MW.

 

Obr. 4 ukazuje průběhy síťového proudu (jedna fáze) pohonu na střídavý proud (pou­ze jeden pohon) a fázového proudu (stej­ná fáze) AHC. Tyto proudy byly naměřeny na 10kV straně transformátoru. Síťový proud je zobrazen na obr. 5. Je to síťový proud, kte­rý je kalkulován osciloskopem z naměře­ných proudů na obr. 4. Z obr. 5 je vidět, že celkový síťový proud má prakticky sinuso­vý a periodický tvar vlny. Vyšší harmonic­ké 12pulsního měniče jsou prakticky elimi­novány, jak je patrno ze spektrální charak­teristiky proudu pohonu na střídavý proud a spektrální charakteristiky síťového prou­du (viz obr. 6).

 

Blikavé jevy (šumy) způsobené velkými fluktujícími zátěžemi jsou jedním z problé­mů kvality elektrické energie a způsobují vý­padky nebo kolísání a případně i pokles el. napětí v síti. Kompenzátory Static Var (SVC) řízené pomocí tyristorů jsou obvykle použí­vány pro kompenzaci jalových (reakčních) proudů a ke snížení blikavých šumů (flicker--jevů). Jelikož operují na základní frekvenci, je kapacita SVC omezena [9]. Díky opoždění pouze 2 ms je AHC velmi vhodný pro kom­penzaci blikavých jevů.

 

Obr. 7 ukazuje naměřené změny el. napě­tí na 11kV síti během testu motoru bez kom­penzační jednotky. Maximální změna síťové­ho napětí byla přibližně 1,2 %, což je u této frekvence již nad standardní limitní hodno­tou blikavého jevu. Naměřená hodnota krát­kodobého blikavého jevu P_st = 1,5.

 

Na obr. 8 je naměřená změna el. napětí ukázána na stejném testu motoru, avšak již s použitím AHC. Změna síťového napětí je přibližně 0,3 % a leží jasně pod standardní limitní hodnotou. Naměřená hodnota krátko­dobého blikavého jevu P_st = 0,5.

 

Na závěr přiblížení funkce AHC uvádíme příklad kompenzace prou­du svařovacího stroje. Svařovací stroje jsou známy tím, že odebírají velmi nesinusový proud v krátkých časových periodách. Je obvyklý do­konce i nevyvážený síťový proud, kde jsou zatíženy pouze dvě fáze. Příkla­dem je obr. 9, kde jsou zatíženy pou­ze fáze „t“ a „s“ s proudovou špičkou 1 200 A, zatímco fáze „r“ zůstává nezatížena. Tvar proudu je nesinu­sový. AHC kompenzuje harmonic­ká zkreslení, stejně jako nerovnová­hu mezi fázemi, jak ukazuje obr. 10. Jelikož výsledek této kompenzace zaručuje rozdělení zatížení na všech­ny tři fáze, je špičkový proud vý­razně menší, což podstatně zlepšuje kvalitu el. napětí. Špička proudu nad 1 200 A ve fázi „s“ je redukována na 400 A a vyrovnána na stejnou veli­kost ve všech třech fázích.

[1] AKAGI, H.: New Trends in Acti­ve Filters for Power Conditioning. IEEE Transactions on Industry Ap­plications, Vol. 32, No. 6, pp. 1313-1322, 1996.

[2] KALACHNIKOV, S.: Three-phase rectifier for AC-Drives incorporated with Active Power Filter. Procee­dings of the International Power Electronics and Motion Conference, 1998, Prague, Czech Republic, pp. 2125-2130.

[3 RUMMICH,E. – KALASCHNI­KOW, S.: Oberschwingungs- arme Netzeinspeisung von Windkraftan­lagen mit Hilfe von aktiven Filtern. e&i 117. Jg. 2000, H.2, pp. 129-133.

[4] SABANOVIC, N. – SABANOVIC, A. – JEZERNIK, K. – KAYNAK, O.M.: Current Control in three-phase switching Converters and ac elect­rical Machines. In: Proceedings of IECON´94, Italy, 1994, pp. 581-586.

[5] GAO, W. – WANG, Y. – HOMAIFA, A.: Discrete-time variable Structure Control System. In: IEEE Transac­tions on Industrial Electronics, Vol. 42, No. 2, pp. 117-122, 1995.

[6] FERNANDO, J. – ORLANDI, E. – PAIS, M.: Sliding Mode Control of Unity Power Factor Three Phase Boost Converters. Proceedings of International Power Electronics and Motion Con­ference,1998, Czech Republic, pp. 1125-1130.

[7] Kalachnikov, S.: Control of the Switch-Mode Rectifier without Mains Voltage Sensors. SPE­EDAM´98, Italy, pp.125-128.

[8] KALACHNIKOV, S. – BERGER, H.: A New Control Strategy for DC-Link Voltage of a Three-Phase Bi-directional PWM Rectifier. EPE`95, Spain , 1995, pp. 2558-2562.

[9] Guillaume de Préville: Flicker mitigation. Ap­plication to a STATCOM, Proceedings of the European Conference on Power Electronics and Applications, 2001, Austria.

 

Obr. 4. Průběhy proudu AHC a měniče (10kV vedení, 20 A/div)

Obr. 5. Celkový proud vypočítaný z proudu zátěže (měniče) a proudu z AHC (20 A/div)

Obr. 7. Změny el. napětí v 11kV rozvodné síti bez AHC (1 V/div)